基于有限元分析的風冷冷水機組減振墊選型計算

任超，岳建軍

（特靈科技亞太研發中心，江蘇 太倉 215400）

0 引言

風冷冷水機組是大型商用中央空調中常見的一類產品，較高的性價比優勢使其廣受市場青睞。由于采用的是和空氣進行熱交換的方式，所以風冷冷水機組通常會被放置在屋頂、陽臺等處。壓縮機、風機等在機組運行過程中會產生振動，這些振源頻率比較豐富，它們的組合能使幾噸重的設備發生振動，從而使樓層下的室內環境噪聲嚴重增加[1]，影響使用者的舒適度。通過在機組底部增加橡膠減振墊可有效阻隔振動的傳遞，這種減振方法通常稱之為主動減振法。橡膠材料在受到沖擊時能將部分動能轉化為熱能耗散掉，因而具有良好的減振和降噪性能[2]。所以在實際使用中，通常建議客戶安裝減振墊來降低機組振動對屋頂地面的影響。

圖1所示為某型號風冷冷水機組，其底面框架安裝有數個減振墊。該機組的減振墊為氯丁橡膠材料，在其變形時能有效吸收機械能，有特別好的耐大氣老化性、耐熱老化性，適用于長年累月暴露在室外的地方[3]。

圖1 風冷冷水機組及其減振墊

1 現場失效問題描述

根據售后維修人員反饋的信息，客戶現場某風冷冷水機組在安裝好減振墊后發現機組的水平度較差，較差的水平度會引起蒸發器內液位不平，從而影響制冷系統正常工作。在排除地面水平度的影響之后，初步判定是因為減振墊的變形量不均勻，導致機組底盤橫梁在長度方向上有高度差，從而造成機組水平度變差。該機組主要包括位于底盤上的壓縮機、蒸發器、油分及其連接管路、安裝于框架上部的冷凝器。機組的簡化三維模型及減振墊的分布如圖2所示，其中底盤橫梁下面的方塊代表減振墊。該機組使用8個減振墊，對稱分布于機組寬度方向上。

圖2 現場失效機組及減振墊分布

圖3所示為客戶現場照片，左圖中減振墊的壓縮量較大，而右圖中減振墊的壓縮量較小。據現場反饋的測量數據，機組底盤橫梁在長度方向上的高度差為5 mm，已大于產品安裝手冊中所允許的最大值。

圖3 客戶現場的減振墊變形

2 失效原因分析

風冷冷水機組水平度較差主要是由減振墊的變形不均引起的，減振墊的變形量與其型號及所承受的重力有直接關系。從機組的結構設計方面看，主要有以下幾點原因造成了上述問題：1）機組質量分布不均勻。該機組長度約為6.1 m，質量約為5000 kg。從圖2中可看出，冷凝器部分質量分布較均勻。但由于壓縮機和蒸發器的質量較大，約占整體質量的45%，導致機組底部的質量主要集中在該區域，即1～6號減振墊所在區域，而最右側的7號和8號減振墊承擔的質量較小。2）減振墊位置分布不合理。當前的減振墊位置分布并不是最優的方案（需兼顧其它采用同樣底盤設計的機組），這就造成了各個位置的減振墊受力不均勻。3）減振墊的型號單一。出于成本及現場安裝便捷考慮，對同一個機組選取同一種型號的減振墊，容易導致各個減振墊變形不均。

以上原因中，機組的結構布局需要考慮同系列產品的設計，質量分布不便于調整。減振墊的位置和型號可通過有限元仿真計算來進行優化。

3 有限元模型的創建

3.1 簡化機組模型

利用ANSYS Workbench仿真軟件對風冷冷水機組的三維設計模型進行簡化，將幾何模型轉化為仿真分析所需的有限元模型。去除質量較輕的管路、閥等零部件，保留質量較重的壓縮機、蒸發器、冷凝器等。簡化后的空調機組有限元模型由實體單元和殼單元組成。壓縮機采用實體單元；蒸發器的管板采用實體單元，筒體采用殼單元；冷凝器的盤管采用實體單元，鈑金件采用殼單元；機組的底盤、立柱等框架部分均是鈑金件，采用殼單元。調整各主要部件的質量，使其和實際質量相同。

3.2 創建接觸

機組的框架結構多為鈑金件，鈑金之間為自攻釘連接，吸排氣管路之間等多為焊接，均可采用ANSYS Workbench軟件中的“Bonded”接觸來模擬。該接觸不允許面或線間有相對滑動或分離。分別創建壓縮機、蒸發器、冷凝器等部件的接觸，將其連接在機組框架上。對于自攻釘連接，設置為“孔對孔”的接觸方式；對于管路焊接，設置為“面對面”的接觸方式。創建好接觸后，各個零部件之間相互連接，模型中不應該有未約束的零件。

3.3 劃分網格

網格質量直接影響到有限元模型求解時間及求解結果的正確性，過于精細的網格可以提高結果的精確度，但同時會耗用較長的計算時間。對于風冷機組減振墊的仿真計算，主要目的是得到減振墊上的變形量及支反力，并不關心結構的應力水平，因此在保證有限元模型能正確求解的前提下，網格質量要求可稍作降低。劃分完網格的機組模型如圖4所示。

圖4 帶網格的機組有限元模型

3.4 設置載荷及邊界條件

風冷冷水機組在正常運行時，作為一個結構整體，只承受重力載荷，取重力加速度為9.81 N/kg，在有限元模型中，僅有機組底部的彈簧是被地面約束，即機組僅在垂直方向上有約束而在水平方向上是自由的，因此需要添加額外的約束來避免結構在水平方向上產生剛體位移。

4 減振墊變形量計算

4.1 當前減振墊計算

某風冷冷水機組橡膠減振墊型號如表1所示。從表1中可看出，3種型號的減振墊所允許的最大承重不同，但在最大承重下的壓縮變形量相同（均為12.7 mm）。在仿真計算中將其假設為線性材料，則不同型號的減振墊對應的剛度也不同。當前機組選用的是B型減振墊。

表1 減振墊型號

在ANSYS Workbench軟件中創建“Body-Ground”彈簧單元來模擬減振墊[4]。彈簧長度即為減振墊的高度，彈簧剛度即為B型減振墊剛度80 kg/mm。

計算風冷機組在重力作用下的響應，是一個線性靜態結構分析，力學方程為

式中：K為機組的剛度矩陣；X為機組的位移矩陣；F為載荷矩陣。

ANSYS Workbench軟件中采用直接求解法或迭代求解法得到位移矩陣解。本例中有8個減振墊，計算其承重（或其上的支反力，共8個未知量）是一個典型的超靜定問題，解決這類超靜定問題就需要考慮底盤的變形協調因素，而減振墊剛度的改變會影響變形協調方程，從而影響支反力的重新分布[5-6]。在ANSYS Workbench軟件計算時已考慮變形協調，不再贅述。

經過計算，提取各彈簧的支反力及變形，即各位置減振墊的承重及變形，如表2所示。

表2 當前減振墊承重及變形

從結果可看出，該機組的減振墊最大承重為777 kg，小于B型減振墊所允許的最大值（1020 kg）。最大變形在1號減振墊位置，最小變形在7號減振墊位置，兩者相差4.1 mm。機組底盤橫梁在豎直方向上的位移如圖5所示，豎直方向最大位移為10.6 mm，最小位移為5.0 mm。水平度差值為5.6 mm，和現場機組失效情況吻合。

圖5 當前機組底盤橫梁豎直位移

4.2 改進減振墊計算

為了減小各個減振墊之間變形的差異，保持機組底盤橫梁的水平度，可以從以下兩方面進行改善：1）調整減振墊位置。利用有限元分析迭代計算出減振墊分布的最優位置，盡可能使每個位置受力均勻。2）調整減振墊型號。根據有限元分析計算得到每個減振墊位置的實際承載情況，使用不同型號（剛度）的減振墊。

由于本次屬于客戶現場已發生的問題，調整安裝位置需要重新配打安裝孔，工作量較大，且現場操作不方便，故采用第二種改善措施。

從表2的計算結果可以看出，5～8號減振墊的實際承載質量較輕，小于A型減振墊的最大承載（680 kg），故可將其型號換為剛度更小的A型。更換型號后，仿真計算結果如表3所示。

表3 改進減振墊承重及變形

更改減振墊型號后，各個點的承重發生了一定的變化。從計算結果可以看出，最大變形的減振墊在6點，最小在2點，其差值僅有1.2 mm。機組底盤橫梁在豎直方向上的位移如圖6所示，豎直方向最大位移為10.2 mm, 最小位移為8.8 mm。水平度差值為1.4 mm。相比于當前設計，機組水平度改善了75%。

圖6 改進后機組底盤橫梁豎直位移

5 結語

對于風冷冷水中央空調機組的設計，減振墊的選型和分布是一個重要的環節，會影響到客戶的安裝及使用效果。本文針對客戶現場出現的機組水平度問題，通過有限元仿真計算，確定該問題是由于個別位置減振墊選型不當造成的。通過更換減振墊型號可以有效解決這一現場問題。為了保證機組安裝后的水平度，建議從以下兩方面來改進設計：1）合理布置減振墊的位置。可采用有限元方法進行優化設計，使各個位置的減振墊受力均勻，從而確保機組的水平；2）針對不同位置減振墊受力差異較大的情況，可選擇不同的型號（剛度）的減振墊，使各個位置的減振墊壓縮變形均勻，從而確保機組的水平。